Свойства металлов
Определение условий получения мелкозернистой и крупнозернистой структуры при кристаллизации металлов. Изменение свободной энергии в зависимости от температуры. Основные свойства подшипниковых материалов. Дефекты, возникающие в результате закалки стали.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | контрольная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 24.05.2015 |
| Размер файла | 696,9 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ФИЛИАЛ ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО автономного ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
В Г. ЖЕЛЕЗНОГОРСКЕ
Материаловедение
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
Вариант 7
Преподаватель Петрова Т. В.
Студент 153ЖЗ 1317827 Иванова А. А.
Железногорск 2015
Задание № 1
Изложите условия получения мелкозернистой и крупнозернистой структуры при кристаллизации металлов
Решение.
Любое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном. Возможен переход из одного состояния в другое, если новое состояние является более устойчивым и обладает меньшим запасом энергии. С изменением внешних условий свободная энергия изменяется по сложному закону различно для жидкого и кристаллического состояний.
Рис 1 Изменение свободной энергии в зависимости от температуры
В соответствии с приведенной на рис. 1 схемой выше температуры Тт вещество находится в жидком состоянии, а ниже - в твердом. При температуре Тт жидкая и твердая фаза обладают одинаковой свободной энергией: FЖ = FT и DF = 0. Металл в обоих состояниях находится в равновесии, две фазы могут сосуществовать одновременно. Температура Тт - равновесная или теоретическая температура кристаллизации.
Для кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически выгоден системе и сопровождался уменьшением свободной энергии системы. Температура Тк, при которой практически начинается процесс кристаллизации, называется фактической температурой кристаллизации.. Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры называется переохлаждением, которое характеризуется степенью переохлаждения: DТ =Тт - Тк (рис. 1). Чем выше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждения.
Кристаллизация - процесс образования участков кристаллической решетки в жидкой фазе и рост кристаллов из образовавшихся центров. Кристаллизация протекает в условиях, когда система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с минимумом свободной энергии.
Кристаллизация чистого металла. До точки 1 (рис. 2) охлаждение жидкого металла сопровождается плавным понижением температуры. Кристаллизация металла происходит на участке 1-2 и сопровождается выделением тепла, которое называют скрытой теплотой кристаллизации. Оно компенсирует рассеивание теплоты в пространство, и поэтому температура остается постоянной. После окончания кристаллизации в точке 2 температура снова начинает снижаться, металл охлаждается в твердом состоянии.
Рис. 2 Кривая охлаждения чистого металла
Механизм и закономерности кристаллизации металлов. При понижении температуры в жидком металле образуются кристаллики - центры кристаллизации или зародыши (рис. 3). Для их роста необходимо уменьшение свободной энергии металла, в противном случае зародыш растворяется. Минимальный размер способного к росту зародыша называется критическим размером, а зародыш - устойчивым. Центры кристаллизации образуются независимо друг от друга в случайных местах. Сначала кристаллы имеют правильную форму, но по мере столкновения и срастания с другими кристаллами форма нарушается. Рост продолжается в направлениях, где есть свободный доступ питающей среды. После окончания кристаллизации имеем поликристаллическое тело. Таким образом, процесс кристаллизации представляет образование центров кристаллизации и рост кристаллов из этих центров.
Рис. 3 Модель процесса кристаллизации
Число зародышей или центров кристаллизации (ч.ц.), а также скорость кристаллизации (с.к.) зависят от степени переохлаждения (рис. 4). При равновесной температуре кристаллизации (ТS) число образовавшихся центров кристаллизации и скорость их роста равняются нулю; процесс кристаллизации не происходит. При переохлаждении жидкости до температуры точки (т.а.) образуются крупные зерна (мало центров кристаллизации, скорость их роста большая). При переохлаждении до температуры точки (т.в.) образуется мелкое зерно (много центров кристаллизации, скорость их роста небольшая). Если металл сильно переохладить, то число центров и скорость роста кристаллов равны нулю, жидкость не кристаллизуется, образуется аморфное тело.
Рис. 4 Зависимость числа центров (ч. ц.) и скорости кристаллизации (с. к.) от степени переохлаждения
На практике стремятся получить мелкозернистую структуру. Оптимальными условиями являются: максимальное число центров кристаллизации и малая скорость роста кристаллов. Размер зерен при кристаллизации зависит и от числа частичек нерастворимых примесей, которые играют роль центров кристаллизации - оксиды, нитриды, сульфиды. Чем больше частичек, тем мельче зерна закристаллизовавшегося металла. Стенки изложниц имеют неровности, шероховатости, которые увеличивают скорость кристаллизации. Мелкозернистую структуру можно получить в результате модифицирования, когда в жидкий металл добавляют посторонние вещества - модификаторы, которые различают по механизму воздействия: вещества, не растворяющиеся в жидком металле, служат дополнительными центрами кристаллизации; поверхностно-активные вещества - растворяются в металле, осаждаясь на поверхности растущих кристаллов, препятствуют их росту.
Задание № 2
Изложите требования, предъявляемые к подшипниковым сплавам. Укажите сплавы, отвечающие этим требованиям, опишите их структуру и свойства. Приведите примеры применения
Решение.
Для обеспечения требований наиболее важны следующие основные свойства подшипниковых материалов:
а) теплопроводность, обеспечивающая интенсивный теплоотвод от поверхностей трения, и малый коэффициент линейного расширения во избежание больших изменений зазоров в подшипниках;
б) прирабатываемоcть, обеспечивающая уменьшение кромочных и местных давлений, связанных с упругими деформациями и погрешностями изготовления;
в) хорошая смачиваемость маслом и способность образовывать на поверхностях стойкие и быстро восстанавливаемые масляные пленки;
г) коррозионная стойкость.
Кроме того, существенное значение имеют технологические свойства: литейные, хорошая обрабатываемость резанием и т. д. Хорошим антифрикционным свойствам материала благоприятствует структура, характеризуемая пластической основой и более твердыми вкрапленными в неё составляющими.
Подшипниковые антифрикционные материалы по своему химическому составу делятся на следующие группы:
-баббиты,
-бронзы,
-сплавы на цинковой основе,
-сплавы на алюминиевой основе,
-антифрикционные сплавы на железной основе.
Баббиты
Наиболее давними подшипниковыми материалами являются мягкие сплавы на оловянной и свинцовой основах. Первый подшипниковый сплав был разработан в 1839 г. англичанином И. Баббитом.
Он содержал 82-84 % Sn, 5-6 % Сu и 11-12 % Sb. Этот сплав положил начало использованию мягких белых антифрикционных сплавов в технике, и поэтому все последующие сплавы на оловянной и свинцовой основах стали называть баббитами.
Баббиты обладают низкой твердостью (НВ 13-32), имеют невысокую температуру плавления (240-320 °С), повышенную размягчаемость (НВ 9-24 при 100 °С), отлично прирабатываются и обладают высокими антифрикционными свойствами. В то же время они обладают низкой усталостной прочностью, что сказывается на работоспособности подшипников.
К выбору подшипниковых сплавов необходимо подходить с учетом толщины баббитового слоя подшипника. Гетерогенное микростроение сплавов типа Б83 с крупными твердыми кубическими кристаллами химического соединения SnSb (в-фазы) не способствует удовлетворительной сопротивляемости усталостным повреждениям под действием циклических нагрузок в тонкослойных подшипниках (толщина слоя менее 1 мм). В отдельных локальных объемах кристаллов в-фазы накапливается пластическая деформация, и в слое баббита возникают остаточные напряжения. В тонком слое внедрение в пластичную основу кристаллов твердой составляющей, принимающей на себя нагрузку, затруднительно. Размеры таких кристаллов нередко соизмеримы с толщиной слоя (достигают нескольких десятых мм). Слой мягкой пластичной основы под кристаллами твердой составляющей приобретает способность больше сопротивляться пластической деформации за счет влияния подложки (корпуса цапфы). На отдельных участках скопления хрупких кристаллов в-фазы возникает вероятность непосредственной передачи давления через эти кристаллы от шейки вала на корпус подшипника. В таких условиях в-фаза оказывается слабым участком, по кристаллам SnSb развиваются трещины. Эти микроскопические повреждения при дальнейших циклических нагружениях являются очагами развития усталостных трещин.
Гетерогенная структура, состоящая из мягкой легкоприрабатывающейся основы и твердых включений, способствует удержанию пленки смазки, что снижает коэффициент трения.
Баббиты применяются в подшипниках в виде слоя, залитого по корпусу вкладыша из бронзы, латуни, стали или чугуна. Наиболее прочное соединение заливаемого слоя баббита с корпусом вкладыша достигается специальным процессом заливки, включающим очистку поверхности корпуса и его облуживание. Тонкостенные вкладыши двигателя легкового автомобиля изготовляются штамповкой из биметаллической ленты, получаемой непрерывной заливкой баббита по движущейся стальной калиброванной ленте.
При правильной подготовке поверхности вкладыша и его заливке прочное соединение баббита и металла корпуса (бронза, сталь, чугун) происходит по всей поверхности вкладыша, что позволяет значительно уменьшить толщину слоя баббита. Способ механического крепления баббита к вкладышу (путем устройства во вкладыше пазов и отверстий, заполняемых баббитом при заливке) пригоден лишь для малонапряженных баббитов.
Для тонкослойных вкладышей баббит должен удовлетворять следующим требованиям:
- не иметь резко выраженной неоднородной структуры. Для них возможно использование однофазных сплавов при достаточном сопротивлении металла смятию;
- обладать повышенной сопротивляемостью усталостному разрушению, поскольку работа тонкослойных прецезионных вкладышей должна протекать, в основном, в условиях жидкостного трения;
- баббитовый антифрикционный слой желательно применять с пониженной твердостью -- до НВ 15-20. При этом улучшается прирабатываемость. Это важно в связи с тем, что сопротивляемость смятию в тонком слое повышается за счет влияния подложки;
- для обеспечения надлежащей долговечности подшипников существенное значение имеет прочность соединения баббита с корпусом, определяемая способностью слоя полуды сопротивляться усталостному разрушению.
В России разработаны и применяют для тонкослойных подшипников сплавы Б88, БК2 с добавкой переплава и другие.
Подшипники с толщиной баббитового слоя > 3 мм используют при сравнительно легких условиях работы. Баббитовый слой таких подшипников (Б83, Б16, БН, БКА) обладает хорошей способностью прирабатываться и является своеобразным компенсатором всякого рода неточностей, образованных при обработке и монтаже трущихся деталей и возникающих в процессе эксплуатации. К такому типу относятся подшипники скольжения вагонов, вкладыши тихоходных мощных судовых двигателей, компрессоров и др.
Сплавы на медной основе
Из сравнительно большого количества сплавов на медной основе в качестве антиффикционных используются обычно бронзы (оловянные и безоловянные) и латуни. Подшипники изготовляют из бронзы в монометаллическом и биметаллическом исполнении. Монометаллические подшипники (вкладыши, втулки и др.) изготовляют из бронз, обладающих достаточной прочностью и твердостью. Бронзы, употребляемые в таких подшипниках, подразделяются на сплавы с высоким (до 10 %) и низким (до 3 %) содержанием олова. В состав легирующих добавок входят Zn, Pb, Ni, P и др. Стандартом (ГОСТ 613-79) определены составы малооловянистых бронз. Бронзы же с высоким содержанием олова используют в ответственных случаях по ведомственным техническим условиям.
Для изготовления свертных втулок, торцовых дисков и других антифрикционных деталей применяют деформируемые оловянные бронзы.
Для биметаллических подшипников в качестве антифрикционного слоя употребляются бронзы, содержащие повышенное количество свинца, без олова или с небольшим количеством олова. Распространенным сплавом первого вида является бронза БрСЗО, содержащая 30 % Pb. Сплав второго вида содержит 22 % Pb и 1 % Sn. Для монометаллических подшипников иногда используется свинцовистая бронза БрОС5-25 (5 % Sn и 25 % Pb).
Помимо оловянных бронз сравнительно широко используют сплавы, не содержащие олово (безоловянные). Некоторые из сплавов по свойствам не уступают, а иногда и превосходят оловянные бронзы.
В тяжелонагруженных трущихся деталях (дорожные машины, тяжелое станочное оборудование, скользящие соединения теплопередаточного оборудования и др.) с успехом применяют высокопрочные алюминиевые бронзы.
В меньшей степени, чем бронзы, употребляются в качестве антифрикционных материалов латуни (сплавы меди с цинком и другими металлами). В качестве антифрикционных используются так называемые кремнистые и марганцовистые латуни и находят применение алюминиевожелезные латуни (ГОСТ 17711-93).
Сплавы на медной основе широко распространены во всем мире. Составы их мало отличаются один от другого.
Сплавы на алюминиевой основе
За последнее время в нашей стране и за рубежом резко возросло использование алюминиевых подшипниковых сплавов. Они обладают достаточной усталостной прочностью, коррозионной стойкостью в маслах, имеют сравнительно высокую задиростойкость и хорошие антифрикционные свойства. Эти качества во многом определили тенденцию замены ими антифрикционных сплавов на свинцовой и оловянной основе, а также свинцовистой бронзы.
Алюминиевые сплавы употребляют для изготовления монометаллических деталей (втулок, подшипников, шарниров и др.) и биметаллических подшипников. Последние изготовляют штамповкой из биметаллической полосы или ленты со слоем алюминиевого сплава, соединенного со сталью в процессе совместного пластического деформирования при прокатке. Для монометаллических подшипников употребляются сравнительно твердые прочные сплавы, а слой биметаллических вкладышей изготовляют из менее твердого пластичного металла.
Алюминиевые сплавы классифицируют преимущественно по микроструктурному признаку. Эта классификация отражает в большей степени антифрикционные свойства сплавов, так как общепризнанной является роль мягких структурных составляющих в уменьшении износа и увеличении сопротивляемости задиру трущейся пары. К I группе относят сплавы, имеющие включения твердых структурных составляющих (FеАl3, Аl3 Ni, CuAl2, Mg2 Si, AlSb, кремний и др.) в пластичной основе металла. В сплавах II группы, наряду с твердыми составляющими, имеются мягкие включения.
В РФ сплавы на алюминиевой основе стандартизованы ГОСТ 14113-78.
В зарубежной практике получили большее распространение сплавы II группы, но в последние годы сравнительно широко используют и сплавы I группы.
За последние годы в связи с появлением тяжелонагруженных двигателей в автомобилестроении, тракторостроении, транспортном машиностроении и других появилась острая необходимость в материалах подшипников, обладающих повышенной задиростойкостью. В связи с этим в РФ, Японии, Англии и Америке разрабатываются алюминиевооловянные сплавы, содержащие до 30 и даже 40 % Sn и отрабатывается технология изготовления сплавов, содержащих свинец. Такие сплавы обладают способностью хорошо сопротивляться задиру при ультратонких смазочных слоях, однако эта особенность достигается наиболее полно при содержании 14 % Pb. В России разработан метод получения алюминиевосвинцовых (до 30 % Pb) сплавов из гранул. Отливка гранул производится во вращающемся стакане с круглыми отверстиями при частоте вращения 1500 об/мин. Струя разбивается на капли, которые через отверстия попадают в воду и кристаллизуются.
Последующее прессование гранул производят различными способами. Хорошие результаты были получены при прессовании на шнековых прессах. Прессованные заготовки достаточно хорошо обрабатываются давлением и соединяются с помощью прокатки со стальными полосами для последующего изготовления биметаллических подшипников.
Сплавы на цинковой основе
Цинковые сплавы в качестве антифрикционных, хотя и известны с давних времен, не получили достаточно широкого распространения. В то же время цинковые сплавы обладают рядом ценных свойств, которые дают возможность использовать их во многих случаях взамен бронз и баббитов.
Сплавы на цинковой основе, обладая низкой температурой плавления ( 400 °С), в большей степени, чем бронзы и алюминиевые сплавы, размягчаются с нагревом, благодаря чему легче прирабатываются. По этой причине подшипники из цинковых сплавов меньше изнашивают сопряженные поверхности цапфы при попадании абразивов. Частицы абразивов легче внедряются в трущуюся поверхность и меньше повреждают за счет микрорезания цапфу.
Цинковые сплавы являются весьма технологичными при изготовлении как монометаллических, так и биметаллических трущихся деталей. Легко достигается соединение цинкового сплава со сталью литейным способом и совместной прокаткой со стальной заготовкой. Соединение жидкого цинкового сплава со сталью достигается за счет слоя жидкого цинка, наносимого способом горячего цинкования.
Подшипники и другие детали из цинковых сплавов употребляются в литом и обработанном давлением (прокатка, прессование) состояниях.
Особенностью цинковых сплавов в отличие от алюминевых и бронз является повышение прочности и пластичности сплавов после горячей обработки давлением при 250-300 °С. Это сказывается и на показателях усталостной прочности. Так, например, для литого сплава ЦАМ9-1,5 предел выносливости при переменном изгибе вращающихся круглых образцов 5,0 кгс/мм2, а для прессованного металла -- 10-11 кгс/мм2.
Цинковые сплавы в качестве антифрикционных материалов больше всего используют в нашей стране, причем опыт их массового применения накоплен на железнодорожном транспорте. В других странах цинковые сплавы используют в сравнительно небольших количествах.
Сплавы на железной основе
Как антифрикционные материалы стали используют сравнительно редко и при очень легких условиях работы (при небольших удельных давлениях и невысоких скоростях скольжения). Будучи твердыми и имея высокую температуру плавления, стали плохо прирабатываются, сравнительно легко схватываются с сопряженной поверхностью цапфы и образуют задиры. Обычно используют так называемые «медистые стали», содержащие малое количество углерода, либо «графитизированные стали», имеющие включения свободного графита.
Чугуны применяют для подшипников и других трущихся деталей в большем количестве и ассортименте, чем стали.
Чугун с глобулярной формой графита и с толстыми пластинками более износостоек, чем чугун с тонкими пластинками. В структуре антифрикционного чугуна желательно иметь минимальное количество свободного феррита (не более 15 %) и должен отсутствовать свободный цементит.
Сплавы, изготовляемые методом порошковой металлургии
Изготовляемые методом порошковой металлургии подшипниковые материалы выполняются путем спекания заготовок, спрессованных предварительно (в пресформах) из надлежащим образом обработанных металлических порошков, часто с добавкой небольшого количества графита. Степень пористости обычно около 25 %. В качестве обязательной добавки к железным и медным пористым изделиям, помимо графита, используют самосвязывающие порошки дисульфита молибдена, нитрита бора и др.
Готовые втулки калибруются обжатием (резанием со стороны рабочей поверхности не обрабатываются) и пропитываются в вакууме маслом. Главное их назначение -- подшипники малого размера, работающие при малых нагрузках, без подвода смазки. Срок службы ограничен запасом смазки в слоях, прилегающих к поверхности трения.
Задание № 3
кристаллизация металл закалка сталь
Опишите основные виды дефектов, возникающих в результате закалки стали, причины их возникновения и способы предотвращения
Решение.
Недостаточная твердость закаленной детали -- следствие низкой температуры нагрева, малой выдержки при рабочей температуре или недостаточной скорости охлаждения.
Исправление дефекта: нормализация или отжиг с последующей закалкой; применение более энергичной закалочной среды.
Перегрев связан с нагревом изделия до температуры, значительно превышающей необходимую температуру нагрева под закалку. Перегрев сопровождается образованием крупнозернистой структуры, в результате чего повышается хрупкость стали.
Исправление дефекта: отжиг (нормализация) и последующая закалка с необходимой температуры.
Пережог возникает при нагреве стали до весьма высоких температур, близких к температуре плавления (1200--1300° С) в окислительной атмосфере. Кислород проникает внутрь стали, и по границам зерен образуются окислы. Такая сталь хрупка и исправить ее невозможно.
Окисление и обезуглероживание стали характеризуются образованием окалины (окислов) на поверхности деталей и выгоранием углерода в поверхностных слоях. Этот вид брака термической обработкой неисправим. Если позволяет припуск на механическую обработку, окисленный и обезуглероженный слой нужно удалить шлифованием. Чтобы предупредить этот вид брака, детали рекомендуется нагревать в печах с защитной атмосферой.
Коробление и трещины -- следствия внутренних напряжений. Во время нагрева и охлаждения стали наблюдаются объемные изменения, зависящие от температуры и структурных превращений (переход аустенита в мартенсит сопровождается увеличением объема до 3%). Разновременность превращения по объему закаливаемой детали вследствие различных ее размеров и скоростей охлаждения по сечению ведет к развитию сильных внутренних напряжений, которые служат причиной трещин и коробления деталей в процессе закалки.
Образование трещин обычно наблюдается при температурах ниже 75--100° С, когда мартенситное превращение охватывает значительную часть объема стали. Чтобы предупредить образование трещин, при конструировании деталей необходимо избегать резких выступов, заостренных углов, резких переходов от тонких сечений к толстым; следует также медленно охлаждать сталь в зоне образования мартенсита (закалка в масле, в двух средах, ступенчатая закалка). Трещины являются неисправимым браком, коробление же можно устранить последующей рихтовкой или правкой.
Задание № 4
Какие способы разливки стали после ее выплавки нашли широкое распространение в металлургии? Приведите их схемы и поясните сущность технологии разливки по каждой схеме
Решение.
В настоящее время разливку стали ведут преимущественно в изложницы или на установках непрерывной разливки (МНЛЗ).
Способ разливки стали в изложницы делят на:
- разливку стали сверху
- сифонную разливку стали.
При разливке сверху металл поступает в изложницу 1 непосредственно из сталеразливочного ковша 2 (рис. 6, а) или через промежуточное устройство 3.
В случае сифонной разливки (рис. 5) жидкая сталь из сталеразливочного ковша 1 попадает в центровую 2 и затем по сифонной проводке 3 снизу поступает в изложницы 4, установленные на поддоне 5.
Исторически сложилось так, что разливка сверху явилась первым способом отливки стальных слитков. В дальнейшем с повышением требований к качеству поверхности слитков, улучшением технологии изготовления огнеупорных изделий и увеличением емкости сталеплавильных агрегатов сифонный способ разливки стали получил широкое распространение на заводах, где не были установлены мощные обжимные станы и поэтому отливали мелкие слитки. Как показали результаты неоднократно проведенных сравнительных исследований, качественные показатели металла (механические свойства, макроструктура, содержание неметаллических включений и т. д.), а также величина брака из-за дефектов металла в прокатных цехах и на машиностроительных заводах практически не зависят от способа разливки.
В то же время сифонная разливка стали имеет следующие преимущества перед разливкой сверху. Преимущества сифонной разливки стали: возможность одновременной (на одном поддоне) отливки четырех -- шести слитков массой 3--7 т и до шестидесяти более мелких слитков, что позволяет плавки большой массы разливать с меньшей общей продолжительностью. Удобство наблюдения за поверхностью поднимающегося в изложнице уровня металла и возможность регулирования скорости разливки стали в относительно большом интервале в зависимости от температуры и состава металла. Лучшая поверхность слитков и уменьшение в 2,5--4 раза затрат труда на зачистку слитков и прокатанных заготовок. Недостатки сифонной разливки стали: уменьшение из-за потерь с литниками выхода годного металла 4 на 0,9--1,3% в зависимости от массы слитка. Увеличенный расход огнеупорных изделий на центровые и сифонные проводки, обслуживание и содержание дополнительного оборудования и повышенные затраты труда на подготовку поддонов, сборку центровых. Хотя поверхность слитков при сифонном способе разливки стали заметно чище и поэтому требует значительно меньшего времени на зачистку металла. Все же при применении этого способа разливки суммарные часовые затраты труда на 1 тонну стали, расходуемые на подготовку изложниц и зачистку металла, оказываются в 1,5--5 раза выше, чем при разливке сверху.
В целом, оценивая различные способы разливки стали следует признать, что разливка стали сверху в условиях современных сталеплавильных цехов большой производительности, где стали разливают в крупные слитки, имеет несомненные преимущества, и этот способ чаще всего предусматривается в проектах вновь строящихся заводов. На заводах качественной металлургии и заводах, где металл разливают в слитки мелкого и среднего развеса, следует признать целесообразным сохранение сифонного способа. Что касается разливки высоколегированных сталей и сплавов, требующих обязательной обдирки слитков перед последующим переделом, то ее осуществляют сверху, поскольку это позволяет устранить потери металла в виде литников.
Рис. 5 Сифонная разливка стали
Рис. 6 Разливка стали сверху
Задание № 5
Каково соотношение между твёрдостью изделий, замеренной по способам Бринелля, Роквелла, Виккерса?
Решение.
Под твёрдостью понимают способность материалов сопротивляться упругой деформации, пластической деформации и (или) разрушению в поверхностном слое. Измерение твердости является одним из широко распространенных видов механических испытаний металлов.
Применительно к приведённому выше определению твёрдости существует три способа её измерения, а именно:
1. способ упругого отскока.
2. способ вдавливания (внедрения).
3. способ царапания.
В промышленности используется очень большое количество металлов и их сплавов с самыми разнообразными механическими свойствами.
Это привело к тому, что в настоящее время существует около трех десятков методов испытания твердости, относящихся к перечисленным трём способам, причем каждый имеет вполне определенную область применения. Среди этого большого многообразия можно выделить несколько наиболее распространенных, методов основанных на одних и тех же принципах.
В технической литературе твердость всегда обозначается буквой Н (от англ. hardness - твердость). Следом за буквой Н всегда пишется одна или две буквы, обозначающие метод испытания твердости, например: НВ - твердость по Бринеллю; HRA, HRB, HRC - твердость по Роквеллу (по шкалам А, В и С); HV - твердость по Виккерсу.
Метод Виккерса (HV) заключается во внедрении в испытуемый металл алмазной пирамиды с углом при вершине между противоположными гранями 136°. Усилие вдавливания выбирается в зависимости от толщины и твердости образца и составляет от 1 до 100 кгс. Значение твердости получается делением приложенной к индентору нагрузки на площадь пирамидального отпечатка, которую определяют по диагонали отпечатка. Метод достаточно универсален, так как позволяет измерять, практически, твердость любого металла и сплава. Этим методом можно измерять твердость тонких пластин и слоев (до 6,05 мм). Метод требует очень тщательной подготовки поверхности - тонкого шлифования или полировки. Метод Виккерса нежелательно применять при измерении твердости крупнозернистых и разнородных структур, так как при малом размере отпечатка (соизмеримом с размерами зерна) можно получить большой разброс данных.
Изменение твердости по методу Бринелля
При измерении твердости этим методом в поверхность изделия в течение определенного времени с усилием Р вдавливается стальной закаленный или твёрдосплавной шарик диаметром 10,5 или 2,5 мм. На поверхности образца получается отпечаток диаметром d (рис. 7). Для получения значения твердости необходимо измерить диаметр отпечатка и рассчитать площадь Fотп шарового сегмента.
Твердость HB (кгс/мм2) определятся делением приложенной к шарику нагрузки на площадь отпечатка
Диаметр отпечатка измеряют специальной измерительной лупой с точностью 0,05 мм.
Для получения более точного результата диаметр отпечатка следует измерять в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
На рис. 8 показано расположение шкалы лупы относительно кромок отпечатка. Диаметр отпечатка, как видно из рисунка, равен 3,95 мм.
Для устранения влияния наклепа металла и выпучивания краев образца расстояние между центрами двух соседних отпечатков должно быть не менее 4 d, а до края образца- не менее 2,5d.
Рис. 7 Схема измерения твердости по Бринеллю
Рис. 8 Схема замера диаметра отпечатка
Время нагружения зависит от материала образца и составляет: 10 с - для черных металлов, 30 или 60 с - для цветных сплавов в зависимости от их твердости.
При измерении тонких образцов необходимо соблюдать следующее условие: толщина образца S должна быть не менее 10 кратной глубины отпечатка h.
В противном случае образец может быть продавлен и результат испытания будет неверен.
Режим испытания твердости, т.е. выбор диаметра шарика и величины прилагаемой нагрузки производится по данным табл. 1.
Таблица 1
Связь численного значения твердости НВ и предела прочности на растяжение ув
|
Материал |
Предел прочности на растяжение, ув, кгс/мм2 |
|
|
Сталь |
0,34 НВ |
|
|
Медь, латунь, бронза |
0,40 НВ |
|
|
Алюминий |
0,26 НВ |
|
|
Дуралюмин |
0,35 НВ |
|
|
Сплавы цинка |
0,09 НВ |
|
|
Чугун серый |
При определении твердости по стандартной методике (т.е. по данным табл. 2) значение твердости записывается одним числом, например: НВ 163.
Таблица 2
Выбор диаметра шарика и нагрузки в зависимости от толщины и материала образца
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
|
Чёрные металлы |
140 - 150 |
>6 |
10 |
30D2 |
3000 |
10 |
|
|
3-6 |
5 |
30D2 |
750 |
||||
|
<3 |
2,5 |
30D2 |
187,5 |
||||
|
<140 |
>6 |
10 |
10D2 |
1000 |
10 |
||
|
3-6 |
5 |
10D2 |
250 |
||||
|
<3 |
2,5 |
10D2 |
62,5 |
||||
|
Цветные металлы на основе меди; дуралюмины |
>130 |
>6 |
10 |
30D2 |
3000 |
30 |
|
|
3-6 |
5 |
30D2 |
750 |
||||
|
<3 |
2,5 |
30D2 |
187,5 |
||||
|
35 - 130 |
>6 |
10 |
10D2 |
1000 |
30 |
||
|
3-6 |
5 |
10D2 |
250 |
||||
|
<3 |
2,5 |
10D2 |
62,5 |
||||
|
Магниевые сплавы, алюминий, олово, свинец, баббит |
8 - 35 |
>6 |
10 |
2,5D2 |
250 |
60 |
|
|
3-6 |
5 |
2,5D2 |
62,5 |
||||
|
<3 |
2,5 |
2,5D2 |
16,5 |
Если же измерение проводилось по другим режимам, то значение твердости записывают с учетом принятых при измерении режимов. Например, запись НВ 5/250/30 - 186 означает, что полученное значение твердости 186 кгс/мм2 было получено при испытании шариком 5 мм, под нагрузкой 250 кгс с выдержкой 30 с.
Следует отметить, что методом Бринелля можно испытывать материалы, твердость которых не превышает 450 единиц по Бринеллю. При большей твердости внедритель - шарик будет деформироваться, и измерение будет не точным.
Измерение твердости по Бринеллю производится на специальном приборе - прессе Бринелля, который позволяет устанавливать необходимые нагрузки на шарик в диапазоне 187,5... 3000 кгс и время приложения нагрузки - 10, 30 или 60с.
Изменение твердости по методу Роквелла
При измерении твердости по Роквеллу внедрителем служит или алмазный конус с углом при вершине 120° и радиусом закругления 0,2 мм, или стальной закаленный шарик диаметром 1,588 мм (1/16). Внедритель вдавливается в испытуемый материал под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной Р0, равной 10 кгс и основной Р1, таким образом, общая нагрузка Р на внедритель в момент нагружения равна Р = Р0 + P1 (рис.9). Предварительная нагрузка всегда равна 10 кгс (независимо от внедрителя), а основная нагрузка колеблется в зависимости от внедрителя и испытуемого материала. Если внедрителем служит алмазный конус, то основная нагрузка P1 может быть или 50, или 140 кгс (общая нагрузка 60 и 150 кгс); если внедрителем является шарик, то основная нагрузка всегда равна 90 кгс (общая 100 кгс).
При использовании в качестве внедрителя алмазного конуса твердость материала оценивается по двум шкалам - А и С. На индикаторе прибора обе эти шкалы совмещены в одну, имеющую 100 делений (черная шкала). При нагрузке на индентор 60 кгс эта шкала называется шкалой А и твердость в этом случае обозначается как HRA, если нагрузка составляет 150 кгс, то шкала называется шкалой С и твердость в этом случае обозначается как HRC.
Если же внедрителем служит шарик (нагрузка на него 100 кгс), то отсчет твердости производится по шкале В (красная шкала), имеющей 130 делений и твердость в этом случае обозначается как HRB.
Мерой твердости в методе Роквелла является глубина проникновения внедрителя в испытуемый материал: одной единице твердости соответствует внедрение индентора на 0,002 мм. Схема измерения твердости конусом показана на рис. 9; схема измерения шариком совершенно аналогична. Из рисунка видно, что вначале испытания индентор под действием предварительной нагрузки Р0= 10 кгс вдавливается в поверхность на глубину ho (поз.1). Затем прикладывается основная нагрузка P1 и под действием этой суммарной нагрузки Р = Р0 + P1 индентор внедряется в испытуемую поверхность на максимальную глубину, производя пластическую и упругую деформацию материала (поз.2). После того как нагружение закончилось (примерно в течение 5с), снимают основную нагрузку, оставляя предварительную.
Под действием упругих сил внедритель частично поднимается вверх и занимает положение, соответствуещее глубине проникновения h (поз.3), которая и характеризует твердость металла.
Рис. 9 Схема измерения твердости по Роквеллу
Шкалы прибора, с которых снимаются показания твердости, проградуированы в соответствии с глубиной ho. Численное значение твердости (безразмерная величина) указывается стрелкой индикатора по соответствующей шкале. Это обстоятельство объясняет удобство, простоту и быстроту определения твердости методом Роквелла. Достоинством этого метода является возможность измерения твердости в широком Роквелла не рекомендуется измерять, например, твердость серых чугунов и цветных сплавов, содержащих структурные составляющие, резко отличающиеся по своим диапазоне как очень твердых, так и сравнительно мягких материалов. Но методом механическим свойствам. Это объясняется тем, что отпечаток, получаемый при вдавливании конуса или шарика диаметром 1,588 мм, достаточно мал и не всегда может равномерно охватить все составляющие, что приведет к большому разбросу данных по твердости.
При выборе режимов испытания твердости необходимо ориентировочно знать примерную твердость сплава (твердый, мягкий) и толщину образца.
Измерение шариком по шкале В применяется для отожженных и нормализованных сталей, меди и ее сплавов, дуралиминов и других сплавов, с твердостью HRB в диапазоне 25...100 ед. (НВ65...240). Минимальная толщина образца 0,7 мм.
Измерение твердости конусом по шкале С применяется для закаленных сталей и сталей после отпуска. Пределы измерения в этом случае составляют примерно HRC 20...67 (НВ220...710). Минимальная толщина образца 0,7 мм.
Измерение твердости конусом по шкале А применяется в тех случаях, когда нельзя применить измерение по шкале С. Это бывает в двух случаях:
1. когда измеряется твердость очень твердых материалов (твердые и минералокерамические сплавы и другие инструментальные материалы). Применение в этом случае шкалы С, т.е. нагрузки на конус 150 кгс, может привести к поломке алмаза,
2. когда необходимо измерить твердость тонких и твердых пластин и слоев, например, цементационного слоя (толщиной 0,4...0,7 мм). Применение в этом случае нагрузки 150 кгс приведет к продавливанию измеряемого слоя (образца).
Пределы измерения твёрдости по HRA составляют обычно 70…85 ед. (НВ 360…710).
В таблице 3 приведены режимы испытания твёрдости по Роквеллу.
Таблица 3
Режимы измерения твёрдости по Роквеллу
|
Материал |
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
|
Мягкие металлы |
<230 |
Стальной шарик |
100 |
В |
HRB |
25…100 |
0,7 |
|
|
Закал.и отпущенные стали |
230- 700 |
Алмазн. конус |
150 |
С |
HRC |
20…67 |
0,7 |
|
|
Твёрдые сплавы и тонкие изд. |
>700 |
Алмазн. конус |
60 |
А |
HRA |
70…85 |
0,4 |
Измерение твердости производится на специальном приборе - твердомере Роквелла, который позволяет устанавливать нужный внедритель и прилагать на него соответствующую нагрузку. Работа на приборе проводится в присутствии преподавателя (лаборанта).
Таблица 4
Сравнение твердости материалов, определенной различными способами
|
Твёрдость по Бринеллю |
Твёрдость по Роквеллу |
Твёрдость по Виккерсу, HV |
Твёрдость по Шору, HSD |
||||
|
Диаметр отпечатк а d, мм |
D =10 мм Р = 3000 кгс |
HRC |
HRA |
HRB |
|||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
|
2,20 |
782 |
72 |
89 |
- |
1220 |
107 |
|
|
2,30 |
713 |
67 |
85 |
- |
1021 |
96 |
|
|
2,40 |
652 |
63 |
83 |
- |
867 |
88 |
|
|
2,50 |
600 |
59 |
81 |
- |
746 |
81 |
|
|
2,55 |
578 |
58 |
80 |
- |
694 |
78 |
|
|
2,60 |
555 |
56 |
79 |
- |
649 |
75 |
|
|
2,65 |
532 |
54 |
78 |
- |
606 |
72 |
|
|
2,70 |
512 |
52 |
77 |
- |
587 |
70 |
|
|
2,75 |
495 |
51 |
76 |
- |
551 |
68 |
|
|
2,80 |
477 |
49 |
76 |
- |
534 |
66 |
|
|
2,85 |
460 |
48 |
75 |
- |
502 |
64 |
|
|
2,90 |
444 |
47 |
74 |
- |
474 |
61 |
|
|
2.95 |
430 |
45 |
73 |
- |
460 |
59 |
|
|
3,00 |
415 |
44 |
73 |
- |
435 |
57 |
|
|
3,05 |
402 |
43 |
72 |
- |
423 |
55 |
|
|
3,10 |
387 |
41 |
71 |
- |
401 |
53 |
|
|
3,15 |
375 |
40 |
71 |
- |
390 |
52 |
|
|
3,20 |
364 |
39 |
70 |
- |
380 |
50 |
|
|
3,25 |
351 |
38 |
69 |
- |
361 |
49 |
|
|
3,30 |
340 |
37 |
69 |
- |
344 |
47 |
|
|
3,35 |
332 |
36 |
68 |
- |
335 |
46 |
|
|
3,40 |
321 |
35 |
68 |
- |
320 |
45 |
|
|
3,45 |
311 |
34 |
67 |
- |
312 |
44 |
|
|
3,50 |
302 |
33 |
67 |
- |
305 |
42 |
|
|
3,55 |
293 |
31 |
66 |
- |
291 |
41 |
|
|
3,60 |
286 |
30 |
66 |
- |
285 |
40 |
|
|
3,65 |
277 |
29 |
65 |
- |
278 |
39 |
|
|
3,70 |
269 |
28 |
63 |
- |
272 |
38 |
|
|
3,75 |
262 |
27 |
64 |
- |
261 |
37 |
|
|
3,80 |
255 |
26 |
64 |
- |
255 |
36 |
|
|
3,85 |
248 |
25 |
63 |
- |
250 |
36 |
|
|
3,90 |
241 |
24 |
63 |
100 |
240 |
35 |
|
|
3,95 |
235 |
23 |
62 |
99 |
235 |
34 |
|
|
4,00 |
238 |
22 |
62 |
98 |
226 |
33 |
|
|
4,05 |
223 |
21 |
61 |
97 |
221 |
33 |
|
|
4,10 |
241 |
20 |
61 |
97 |
217 |
32 |
|
|
4,15 |
212 |
19 |
60 |
96 |
213 |
31 |
|
|
4,20 |
207 |
18 |
60 |
95 |
209 |
30 |
|
|
4,25 |
202 |
59 |
94 |
201 |
30 |
||
|
4,30 |
196 |
58 |
93 |
197 |
29 |
||
|
4,35 |
192 |
- |
58 |
92 |
190 |
29 |
|
|
4,40 |
187 |
- |
57 |
91 |
186 |
28 |
|
|
4,45 |
183 |
- |
56 |
89 |
183 |
28 |
|
|
4,50 |
179 |
- |
56 |
88 |
177 |
27 |
|
|
4,55 |
174 |
- |
55 |
87 |
174 |
27 |
|
|
4,60 |
170 |
- |
55 |
86 |
170 |
26 |
|
|
4,65 |
166 |
- |
54 |
85 |
166 |
26 |
|
|
4,70 |
163 |
- |
53 |
84 |
163 |
25 |
|
|
4,75 |
159 |
- |
53 |
83 |
159 |
25 |
|
|
4,80 |
156 |
- |
52 |
82 |
156 |
24 |
|
|
4,85 |
153 |
- |
52 |
81 |
153 |
24 |
|
|
4,90 |
149 |
- |
51 |
80 |
149 |
23 |
|
|
4,95 |
146 |
- |
50 |
79 |
146 |
23 |
|
|
5,00 |
143 |
- |
50 |
78 |
143 |
22 |
|
|
5,05 |
140 |
- |
- |
77 |
140 |
21 |
|
|
5,10 |
137 |
- |
- |
75 |
137 |
21 |
|
|
5,15 |
134 |
- |
- |
74 |
134 |
19 |
|
|
5,20 |
131 |
- |
- |
73 |
131 |
19 |
|
|
5,25 |
128 |
- |
- |
72 |
128 |
19 |
|
|
5,30 |
126 |
- |
- |
71 |
126 |
19 |
|
|
5,35 |
124 |
- |
- |
70 |
124 |
19 |
|
|
5,40 |
121 |
- |
- |
68 |
121 |
19 |
|
|
5,45 |
118 |
- |
- |
67 |
118 |
19 |
|
|
5,50 |
116 |
- |
- |
65 |
116 |
19 |
|
|
5,55 |
114 |
- |
- |
64 |
114 |
18 |
|
|
5,60 |
112 |
- |
- |
63 |
112 |
18 |
|
|
5,65 |
109 |
- |
- |
61 |
109 |
18 |
|
|
5,70 |
107 |
- |
- |
60 |
107 |
18 |
|
|
5,75 |
105 |
- |
- |
58 |
105 |
18 |
|
|
5,80 |
103 |
- |
- |
57 |
103 |
18 |
|
|
5,85 |
101 |
- |
- |
56 |
101 |
17 |
|
|
5,90 |
99 |
- |
- |
55 |
99 |
17 |
|
|
5,95 |
97 |
- |
- |
53 |
97 |
17 |
|
|
6,00 |
95 |
- |
- |
51 |
95 |
17 |
Список используемых источников
1 http://allrefs.net/c43/3t0cb/p4/.
2 http://5fan.ru/wievjob.php?id=42619.
3 http://www.bestreferat.ru/referat-291228.html.
4 http://narfu.ru/upload/medialibrary/726/izmerenie-tvedrosti-metallov-i-splavov.pdf.
5http://www.metalspace.ru/education-career/osnovy-metallurgii/proizvodstvo-stali/414-razlivka-stali.html.
6 http://www.markmet.ru/tehnologiya_metallov/zakalka-stali.
7 http://www.ngpedia.ru/id199887p1.html.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Роль в процессе кристаллизации, которую играет число центров и скорость роста кристаллов. Изменение свободной энергии в зависимости от температуры. Классификация чугунов по строению металлической основы. Основные применения цветных металлов и их сплавов.
контрольная работа [878,0 K], добавлен 06.03.2013Изменение термодинамического потенциала твердого и жидкого металла. Механизм и закономерности кристаллизации металлов. Зависимость параметров кристаллизации от степени переохлаждения. Получение мелкозернистой структуры. Строение металлического слитка.
презентация [358,7 K], добавлен 14.10.2013Условия получения крупнозернистой структуры при самопроизвольно развивающейся кристаллизации. Диаграмма состояния системы свинец-олово. Линейные несовершенства кристаллического строения и их влияние на свойства металлов. Устранение остаточного аустенита.
контрольная работа [2,0 M], добавлен 11.01.2011Определение температуры закалки, охлаждающей среды и температуры отпуска деталей машин из стали. Превращения при термической обработке и микроструктура. Состав и группа стали по назначению. Свойства и применение в машиностроении органического стекла.
контрольная работа [1,3 M], добавлен 28.08.2011Классификация дефектов кристаллической решетки металлов. Схема точечных дефектов в кристалле. Дислокация при кристаллизации или сдвиге. Расположение атомов в области винтовой дислокации. Поверхностные или двухмерные дефекты. Схема блочной структуры.
лекция [4,4 M], добавлен 08.08.2009Эксплуатационные свойства металлов. Классификация металлических материалов. Черные и цветные металлы, их сплавы. Стали для режущих и измерительных инструментов. Стали и сплавы со специальными свойствами. Сплавы алюминия и меди. Сплавы с "эффектом памяти".
курсовая работа [1,6 M], добавлен 19.03.2013Механические свойства металлов, основные методы их определения. Технологические особенности азотирования стали. Примеры деталей машин и механизмов, подвергающихся азотированию. Физико-химические свойства автомобильных бензинов. Марки пластичных смазок.
контрольная работа [1,1 M], добавлен 25.09.2013Методика производства стали в конвейерах, разновидности конвейеров и особенности их применения. Кристаллическое строение металлов и её влияние на свойства металлов. Порядок химико-термической обработки металлов. Материалы, применяющиеся в тепловых сетях.
контрольная работа [333,8 K], добавлен 18.01.2010Сущность процессов спекания изделий из порошков. Особенности получения отливок из медных сплавов. Технологический процесс ковки, ее основные операции. Производство стали в дуговых электрических печах. Способы электрической контактной сварки металлов.
контрольная работа [208,1 K], добавлен 23.05.2013Изучение процесса кристаллизации металлов и определение влияния степени переохлаждения на величину зерна металла. Характеристики магнитных материалов: коэрцитивная сила, магнитная и остаточная индукция. Исследование процесса и операций свободной ковки.
контрольная работа [393,4 K], добавлен 15.01.2012
